黄土地区洞桩法地铁车站边桩和中柱的受力变形机理*

郑选荣 杨 辉 商学旋 王少雄 姚寒涓 雷 奇 杨 康

(1.西安科技大学建筑与土木工程学院, 710054, 西安; 2.陕西建工集团股份有限公司, 710003, 西安)

洞桩法是一种基于浅埋暗挖法的施工思想,符合对地层的适用范围及控制变形要求,适用于城市轨道交通车站的新型的暗挖施工方法[1-2]。其主要流程为施工导洞、边桩、中柱、冠梁、扣拱等框架结构,形成桩-梁-拱的共同受力支撑体系,在此基础上逐步开挖车站内部土体,最后施作边墙和二次衬砌等结构。在整个车站结构体系中,边桩和中柱是重要的竖向与侧向承力结构,尤其是扣拱传递的斜向桩顶荷载以及桩侧水平土压力对边桩受力极为不利;而中柱主要承受边跨和中跨扣拱传递的不平衡推力,其顶部易发生较大的水平位移。目前已有部分学者对洞桩法车站边桩与中柱的受力和变形展开了相关研究。文献[3]以新疆地铁1号线为工程背景,通过数值模拟的方法,对边桩、中柱的主应力分布规律进行了分析。文献[4]通过数值模拟和现场监测的方法得出了洞桩逆作法在不同施工工序下的地面沉降和边桩轴力的变化规律。文献[5]通过现场监测的方法对黏质粉土等交互地层的边桩内力进行了分析,总结得到单层洞桩法施工过程中边桩的混凝土应变与桩顶压力的变化规律。

本文以西安黄土地区地铁车站——何家营站洞桩法施工为研究背景,通过现场监测和数值模拟的方法对黄土地区不同施工阶段下边桩的水平位移、水平土压力、钢筋内力,以及中柱的受力变形机理进行了分析,为黄土地区地铁车站洞桩法理论研究和施工提供参考。

1 工程概况

何家营站沿南长安街南北设置,整个车站采用三跨双柱地下两层现浇直墙三连拱结构。车站的标准段宽度为21.9 m,高度为16.5 m,长度为230.3 m。车站采用PBA(洞桩逆作)法施工,其中导洞采用“上4+下2”导洞法:上导洞采用台阶法施工,开挖宽度为4 m,开挖高度为5 m;下导洞采用CD(中隔墙)法施工,开挖宽度为11.4 m,开挖高度为6 m。车站主体结构拱部埋深为13.3～24.8 m,车站边桩结构采用φ1 000 mm、间距1 400 mm的钻孔灌注桩结构,桩长为10.75 m;钢管柱直径为 1 000 mm,间距为6 500 mm,长度为10.95 m。车站地层主要由人工素填土、3-1-1新黄土、3-2古土壤、4-1-1老黄土、4-2-1古土壤、4-2-2古土壤和4-1-2老黄土组成,其中整个车站穿越的主要土层为古土壤与老黄土层。

2 洞桩法车站数值模拟

2.1 数值计算假定条件

1) 假定模型中各个土层是平整的,其厚度根据现场各土层的平均厚度确定。

2) 根据现场施工环境,不考虑地下水的作用。

3) 模型中的荷载仅考虑土体自重和地面超载。

4) 初期支护结构为线弹性材料。

5) 预注浆后进行土体开挖,并同步完成支护。

2.2 模型建立及边界条件

本文采用PLAXIS有限元软件对何家营站施工阶段进行数值模拟分析。该车站覆土层厚度选取最大值,车站的整体高度为16.5 m,整体宽度为21.9 m。模型边界到车站中心线的距离取3～5倍的洞径,即模型的总高度取值为60 m(Z轴),模型的宽度取值为160 m(X轴),同时考虑到导洞错步开挖步距,车站的纵向长度取值为30 m(Y轴)。对模型施加边界条件时,底部设为固定约束,四周设为法向约束,模型地面无约束。何家营站有限元计算模型如图1所示。

a) 车站-土层有限元模型

b) 车站主体结构

2.3 计算参数

模型中土体采用3D实体单元摩尔-库伦材料进行模拟,初衬扣拱采用板单元进行模拟,二衬、冠梁及围护结构采用实体单元模拟。各土层土体参数通过勘察报告,并结合西安地区典型黄土地层数值分析的相关文献综合确定[6-8]。模型中土层物理力学参数和车站支护结构参数见表1—表2。

表1 土层物理力学参数

表2 支护结构参数

3 洞桩法施工监测方案

本文主要针对黄土地区洞桩法车站的地面沉降规律、边桩的水平位移、桩侧土压力、钢筋轴力,以及中柱的应变进行监测分析。主要监测断面和测点布置如图2所示。对第3监测断面进行地面沉降分析。第3监测断面距离2号竖井约27.5 m,该断面上总共布置30个测点。以靠近竖井和横通道的边桩66与中柱Z5、Z6为最不利位置进行受力与变形分析。边桩仪器安装示意如图3所示。沿着边桩的埋深方向每隔2.2 m分别在其迎土侧和背土侧的主筋上焊接钢筋计;沿着边桩的埋深方向在迎土侧每隔2.2 m在桩土接触表面安装土压力计;应变计安装在中柱的底端,安装方向和钢筋计安装方向一致。监测不同施工工况下边桩的钢筋轴力、水平土压力及中柱的应变变化规律。

注:Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6为中柱;66、86、186、202为边桩。

图3 边桩仪器安装示意图

4 数值模拟与监测结果分析

4.1 地面沉降结果分析

由于整个车站的现场施工尚未完成,因此本文根据现场施工监测情况,整理导洞和中板施作完成后的地面沉降累计数据,并绘制地面沉降监测曲线。图4显示了通过地面Y=15 m和Z=60 m的测点处所形成的地面沉降曲线。

图4 地面沉降-距车站中轴线的距离曲线

由图4可见:模型的地面沉降主要发生在距车站中轴线40 m范围内,且在车站中线位置处地面沉降值达到最大;在导洞和中板施作完成后,地面沉降的监测值分别为46.8 mm和56 mm,地面沉降的模拟值分别为40.2 mm和52.0 mm,其模拟值与监测值误差较小,分别为14.10%和7.14%。因此,采用该模型研究黄土地区洞桩法车站的边桩和中柱的变形规律是可行的。

4.2 边桩水平位移分析

边桩作为洞桩法车站框架受力的主要围护结构,在施工过程中桩-柱-梁的受力转换频繁,因此,本文采用数值模拟方法对边桩最不利受力工况下的水平位移进行分析。边桩水平位移-埋深关系曲线如图5所示。

图5 边桩水平位移-埋深关系曲线

当桩梁施作完成后,桩身内外侧并无土方作业,在该阶段边桩并无明显的水平变形。在扣拱施工完成后,整个车站结构的受力体系发生了转变,其上覆土压力逐渐由扣拱全部承担并传递至边桩,使边桩桩顶水平位移达到了最大值-3.46 mm。尽管桩身内外侧并无土压力差值,但由于在导洞和扣拱开挖的过程中一直存在临空面,长时间的空间临空以及时间的积累效应使土体发生变形剥落[9],使其在边桩下部3～9 m范围内仍发生了较小的挠曲变形。边桩在扣拱施作阶段的受力分析如图6 a)所示。随着站厅层土方的开挖,既有地层应力的平衡状态再次被打破。受扰动地层在其新的受力平衡过程中,带动附近受扰动地层向车站中轴线移动,同时在扣拱斜向荷载的作用下,使得距离桩顶4.15 m范围内的最大水平位移达到1.94 mm。边桩在中板施作阶段的受力分析如图6 b)所示。站台层土体在开挖过程中,中板以上的边桩水平位移变化不大,这是由于中板的施作对边桩的水平挠曲变形具有抑制作用,但中板以下2 m位置处在较大的内外侧土压力差的作用下产生了2.32 mm的水平位移。边桩在中板施作阶段的受力分析如图6 c)所示。由此可见,在以上3种工况下边桩变形最为不利,应及时监测边桩的水平位移变化,以便采取相应措施。

a) 扣拱施作阶段

b) 中板施作阶段

c) 底板施作阶段

4.3 边桩钢筋轴力分析

归纳整理测点的钢筋轴力数据,并绘制钢筋轴力时程曲线,如图7所示。

图7 边桩钢筋轴力时程曲线

在边桩冠梁施作的过程中,边桩迎土侧和背土侧的钢筋以受压为主,其最大压力达到14.1 kN。随着扣拱初期支护的施工,距离桩顶3 m范围内的钢筋内力迅速增加,边桩的其余部位内外侧钢筋压力逐渐趋于稳定,究其原因是扣拱施工中,边桩两侧土体对其水平位移起到了约束作用。导洞初期支护凿除后,车站结构的受力体系发生了转化,原先由导洞初期支护承担的荷载全部由扣拱的初期支护承担,使得边桩在扣拱斜向荷载的作用下产生了偏向车站内侧的位移,从而导致钢筋的轴向压力增长速率加快。此时距桩顶2 m范围内,迎土侧钢筋的轴向压力增加了4.6 kN,背土侧钢筋的轴向压力减少了1.9 kN。随着扣拱二次衬砌的施作,边桩钢筋的轴力增长速率逐渐减缓,且在边桩背土侧约2 m的范围内钢筋出现了轴向拉力。当站厅层土方进行开挖时,边桩背土侧的约束与侧摩阻力逐渐消失,背土侧的钢筋轴力呈现全部受拉的状态,而迎土侧的钢筋轴力呈现全部受压的状态,且随着深度的增加,背土侧与迎土侧钢筋的拉、压力增长趋势逐渐减缓。

4.4 边桩水平土压力分析

在不同的施工工序下,归纳整理测点的土压力数据,绘制不同工况下边桩66测点的土压力时程曲线,如图8所示。

图8 边桩66测点土压力时程曲线

在边桩和冠梁的施作过程中,随着导洞开挖过程中应力的充分释放,使得埋设的土压力盒与土体充分接触,水平土压力增长速率加快,其值达到26.8 kPa。扣拱的初期支护施作中,边桩水平土压力进一步增大,究其原因是在施工扣拱的过程中,产生了斜向荷载,使得边桩受到水平推力,由于桩与土的相互挤压作用,使得桩周土的土压力增大,当扣拱开挖产生一定的步距后,对边桩的土体扰动逐渐减小,在该阶段桩周土体处于稳定状态,此时土压力在边桩埋深6.6 m处达到最大值34.5 kPa。导洞初期支护凿除后,车站结构的受力体系发生转变,边跨扣拱不断向围护桩传递荷载,造成围护桩周围土体应力重新分布,使边桩周围水平土压力呈减小趋势。扣拱二次衬砌的施工对土体的扰动较小,同时黄土由于自身结构的自稳性,使得作用在边桩的土压力逐渐趋于稳定。当站厅层土方开挖时,边桩背土侧的土体逐渐消失,使得桩体两侧产生较大的压力差,造成边桩迎土侧的土压力随着施工的进行呈现增长的趋势,且边桩埋置深度越大,水平土压力增长速率越快。

4.5 中柱应变分析

整理中柱的监测数据,绘制中柱Z5、Z6的应变时程曲线,如图9所示。

图9 中柱Z5、Z6应变时程曲线

随着顶纵梁的施作,上部的荷载通过顶纵梁传递给中柱,同时导洞开挖形成大幅度的空间临空面,引起地层发生不均匀的变形,从而导致中柱的应变急剧增加。对中跨扣拱下方土体进行开挖时,中跨扣拱的施工使得中柱不仅要间接承受竖向的土压力,同时还需承受拱脚较大的水平推力和地层产生的水平土压力,导致中柱的应变呈现先减小、后增大的趋势。而对于两边跨初期支护扣拱下方土体开挖时,由于边跨扣拱开挖过程需同步进行,可以很好地平衡中跨扣拱拱脚两侧的部分水平推力,使得中柱应变呈减小趋势。随着二次衬砌扣拱的施作,中柱两侧的拉压应变逐渐趋于稳定,这是由于中柱顶部已施作的二次衬砌结构可作为1道水平支撑结构,对中柱的水平向位移进行限制,使中柱不会产生较大的变形,确保整个车站结构的整体稳定和安全。

5 结语

1) 针对边桩变形控制较高的黄土地区地铁车站洞桩法工程,扣拱、站厅层及站台层的施工是控制边桩水平变形的关键阶段。在以上关键阶段施工时,应在车站结构内部架设钢支撑,并适当加固已扰动的地层来减小边桩的水平变形。

2) 在桩梁和扣拱施作的过程中,边桩钢筋主要承受轴向压力的作用。而在后续施工阶段,迎土侧的钢筋主要承受压力,背土侧的钢筋由轴向压力逐渐转化为轴向拉力,且随着施工的进行钢筋的拉压力增长趋势逐渐减缓。在施工中通过在围护桩位置焊接横向连接钢筋,使由单桩所承受的荷载需通过横向连接由两侧桩体共同承担,从而显著减少桩体两侧钢筋的受力和变形。

3) 在扣拱初期支护施作的过程中,导洞初期支护的凿除会使围护桩周围土体应力重分布,使边桩水平土压力呈现减小的趋势。站厅层土方开挖到中板施工完成阶段,随着围护桩埋置深度的增大,边桩的水平土压力增长速率越快。因此,车站内侧的土方开挖是控制边桩迎土侧土压力大小的关键阶段,必要时应对桩后土体进行注浆加固,有利于提高桩基的承载力。

4) 中跨初期支护扣拱的施工使得中柱受力较为复杂,导致中柱的应变呈现出先减小、后增大的趋势。两边跨初期支护扣拱和二次衬砌扣拱的施工则会对中柱的水平变形进行限制,使中柱两侧的拉压应变逐渐减小最终趋于稳定。因此在中跨扣拱土体开挖完成后,充分对拱后土体回填注浆,对提高围岩的稳定性和减小中柱的变形具有显著作用。